Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung. digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung. Thomas Martin Rudolf

Transkript

1 Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen Ergebnisse aus der Produktionstechnik Die vorliegende Arbeit behandelt die Integration von Überwachungs- und Diagnosefunktionen in die Maschinensteuerung unter Berücksichtigung steuerungsinterner Informationen. Hierfür werden statische und dynamische Einflüsse der Maschinenstruktur untersucht, berücksichtigt und an verschiedenen Werkzeugmaschinen an Beispielprozessen mit Messerkopffräsern verifiziert. Das Reibverhalten, die Trägheit und die Dynamik im Prozess der Maschine beeinflussen die Signaleigenschaften der digitalen Antriebssignale nachhaltig und müssen berücksichtigt werden. Bevor eine allgemeingültige, steuerungsintegrierte Diagnose stattfinden kann, werden diese Einflüsse modelliert und einbezogen. Zusätzlich wird das Verhalten der Maschinenstruktur hinsichtlich der dynamischen Anregung im Prozess untersucht. Aus messtechnischen Untersuchungen und der Analyse des Regelkreisverhaltens aus Führungsund Störfrequenzgang kann das dynamische Übertragungsverhalten zwischen Werkzeug und Antriebswelle modelliert werden. Auf Basis dieser Ergebnisse werden schließlich für die Prozessstörungen Überlast und Werkzeugverschleiß Überwachungsmodule erarbeitet, die rein auf Daten und Signalen basieren, die in der Steuerung vorhanden sind. Zur Überwachung auf Kollision wird ein Signalmuster vorgestellt, das den Geschwindigkeitsbereich vorgibt, in dem es zum Bearbeitungskontakt zwischen Werkzeug und Werkstück kommen darf. Die Bildung dieses Signalmusters basiert auf Informationen über das Werkzeug und die aktuellen Geschwindigkeiten des Prozesses. Damit wird die Definition von Kraft- und Momentschwellen überflüssig. Im Fall einer Kollisionssituation werden schließlich steuerungsinterne Schutzmechanismen ausgelöst. Ferner wird ein Algorithmus zur Amplitudenidentifikation auf die Antriebssignale angewandt. Durch die sich ändernden Prozessparameter im Laufe der Standzeit eines Fräswerkzeugs ist die Identifikation der Prozessparameter von besonderer Bedeutung. Hierfür werden verschiedene Ansätze zur Erkennung von Zahnvorschub und Überdeckungsgrad untersucht und vorgestellt. Am Beispiel eines Fräsprozesses mit einem Messerkopffräser werden diese Erkennungsmethoden verifiziert. Auf Basis dieser Parameter- und Amplitudenidentifikation wird des Weiteren gezeigt, dass der Verschleißzustand eines Werkzeugs verfolgt werden kann. Abschließend werden die vorgestellten Methoden an verschiedenen Werkzeugmaschinen angewandt, die Ergebnisse vorgestellt und auf Funktionalität überprüft sowie kritisch bewertet. ISBN Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung Thomas Martin Rudolf Thomas Martin Rudolf Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung

2 Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines D o k t o r s d e r I n g e n i e u r w i s s e n s c h a f t e n genehmigte Dissertation vorgelegt von Thomas Martin Rudolf Berichter: Univ.- Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Univ.- Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke Tag der mündlichen Prüfung: 11. März 214 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

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4 ERGEBNISSE AUS DER PRODUKTIONSTECHNIK Thomas Martin Rudolf Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. F. Klocke Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. G. Schuh Prof. Dr.-Ing. C. Brecher Prof. Dr.-Ing. R. H. Schmitt Band 18/214

5 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Thomas Martin Rudolf: Adaptierbare Parametrierung von Diagnosesystemen durch Verwendung digitaler Antriebssignale in der Prozessüberwachung 1. Auflage, 214 Gedruckt auf holz- und säurefreiem Papier, 1% chlorfrei gebleicht. Apprimus Verlag, Aachen, 214 Wissenschaftsverlag des Instituts für Industriekommunikation und Fachmedien an der RWTH Aachen Steinbachstr. 25, 5274 Aachen Internet: Printed in Germany ISBN D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 214)

6 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaflticher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Herrn Professor Christian Brecher möchte ich an dieser Stelle als erstes danken. Er gab mir die Möglichkeit am WZL zu arbeiten und ich bekam die Chance diese Dissertation zu erstellen. Vor allem danke ich Ihm für die wertvollen fachlichen Diskussionen und Beiträge zur vorliegenden Dissertation. Des Weiteren möchte ich Herrn Professor Klocke für die Übernahme des Koreferats danken. Herrn Professor Murrenhoff danke ich für die Übernahme des Vorsitzes meines Promotionsverfahrens und Herrn Professor Abel für den Beisitz. Ebenfalls möchte ich mich bei Dr.-Ing. Werner Herfs für das Vertrauen und die Gestaltungsfreiheit bedanken, welches bzw. die er mir während der Projekte NEXT und KoBaSiS entgegengebracht hat. Ein besonderer Dank geht an die Studenten, die mich durch ihre Arbeiten als studentische Hilfskräfte oder Studien- und Diplomarbeiter unterstützt haben, insbesondere Bo Liu, Ahmed El Assaad und Hakan Atasayar. Für die gute Atmosphäre und die hervorragende Zusammenarbeit möchte ich mich auch bei meinen ehemaligen Kollegen am WZL und besonders der Antriebsgruppe bedanken. Durch zahlreiche Gespräche konnte ich viele wertvolle Anregungen für meine Arbeit erhalten. Besonders möchte ich an dieser Stelle meinem Bürokollegen Gerrit Pohlmann danksagen, mit dem ich oft und lange über Themen diskutieren konnte. Weiterhin geht mein Dank an Enno Bierbaum und Britta Gehring, die mich bei der Realisierung und Inbetriebnahmen unterstützt haben und jederzeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden haben. Ebenfalls danke ich Herrn Axel Kaunzner für die Unterstützung bei meinen Versuchen. Ein besonderer Dank geht an Stephan Gsell und Christian Heyers für die Durchsicht und die konstruktiven Kommentare zu diesem Manuskript. Bei meinen Eltern danke ich mich besonders, da sie meine Ausbildung ermöglicht und mich immer unterstützt und gefördert haben. Quiero dejar testimonio de mi reconocimiento y agradecimiento a Geraldina, mi compañera de vida. Ella ha estado presente en toda hora; me ha empujado a ser mejor; ha sido mi mejor amiga; con amor para siempre, de un corazón alemán a un corazón mexicano. Heidelberg im März 214 Thomas Rudolf

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8 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis... V 1 Einleitung Stand der Forschung und Technik zur Kollisions- und Prozessdiagnose Zustands- und Prozessüberwachung in der Fertigungstechnik Auftretende Prozessstörungen, Zeitverhalten und ihre Folgen für die spanende Bearbeitung Signalerfassung und Sensorik in der Prozessüberwachung Acoustic-Emission-Sensoren und Beschleunigungsaufnehmer Kraft- und Momentensensoren Strom- und Leistungssensoren Analoge und digitale Antriebssignale Weitere Sensoren der Prozessüberwachung Hardwareplattformen zur Überwachung und Diagnose an Fertigungsmaschinen Mikrocontrollerbasierte Lösungen Maschinensteuerungsbasierte Lösungen Bewertung der steuerungsinternen und autarken Lösung Methoden zur Erkennung typischer Prozessstörungen in der spanenden Verarbeitung mit geometrisch bestimmten Schneiden Zeit- und frequenzbasierte Signalanalyse Modellbasierte Analyse Wissensbasierte Methoden Weitere Methoden und Überwachungsstrategien Parametrierung von Überwachungs- und Diagnosesystemen Parametrierung von zeit- und frequenzbasierten Systemen Parametrierung von modellbasierten Überwachungssystemen Parametrierung von wissensbasierten Überwachungssystemen Parametrierung von steuerungsintegrierten Überwachungssystemen Zwischenfazit und Bewertung der vorgestellten Methoden...39

9 II Inhaltsverzeichnis 3 Zielsetzung, Aufgabenstellung und Vorgehensweise Forschungshypothese und Forschungsfrage Zielsetzung und Vorgehensweise Analyse des Zeit- und Übertragungsverhaltens Systembeschreibung des Fräsprozesses Analyse der im Prozess belasteten Komponenten Belastungsgrenzen der Werkzeugschnittstelle Belastungsgrenzen der Spindellager Steuerungsinterne Signale und Informationen Darstellung der zeitlichen Randbedingung digitaler Antriebssignale Kraftflussverlauf im Kollisionsfall und Zeitverhalten der Antriebssignale Auswahl der Antriebsignale zur Diagnose Zwischenfazit Untersuchung der maschinenabhängigen Einflüsse auf digitale Antriebssignale Maschinenabhängige Einflüsse auf digitale Antriebssignale ohne Einwirkung von Prozesslasten Modellierung des Reibverhaltens bei Werkzeugmaschinenachsen Modellierung des Beschleunigungsverhaltens eines Vorschubantriebs mit Kugelgewindetrieb auf Basis der digitalen Antriebssignale Stillstands- und Achsengewichtskorrektur Gesamtkonzept der Reib- und Beschleunigungskompensation Vergleich und Bewertung der Modellierungen anhand eines Gütekriteriums Maschinenabhängige Einflüsse auf digitale Antriebssignale unter Prozesslasten Verhalten der Reglerstruktur und Einflüsse von Schlüsselparametern Rekonstruktion der Prozesskraft auf Basis der momentbildenden Antriebsströme Zwischenfazit...93

10 Inhaltsverzeichnis III 6 Merkmalsextraktion und Konditionierung der Überwachungsmethode Zusammenhang des kartesischen und werkzeugbezogenen Koordinatensystems hinsichtlich der Kräfteverteilung Werkzeugbezogene Überlast- und Kollisionsüberwachung Unterscheidung von Kontaktsituationen auf Basis steuerungsinterner Signale Parametrierfreie Signalmusterbildung zur Bestimmung von Kollisionssituationen Einordnung der Überlast- und Kollisionssituationen auf Basis des Signalmusters Aufbau der steuerungsintegrierten Überlastüberwachung Werkzeugbezogene Verschleißerkennung auf Basis digitaler Antriebssignale Identifikation der Kraft- und Momentenamplitude Erkennung des Werkzeugzustands auf Basis des Algorithmus nach Teager Identifikation der aktuellen Prozessparameter Anwendung der Identifikation im Prozess Ermittlung der normierten Amplitude für Diagnosezwecke Zusammenfassung und Zwischenfazit Realisierung und Verifikation des steuerungsintegrierten Diagnosesystems Kollisionserkennung und schnelles Stoppen der Vorschubachse Zusammenführung der einzelnen Module zur steuerungsintegrierten Werkzeugzustandsdiagnose Versuchsdurchführung ausgewählter Bearbeitungen bei variierenden Schnittbedingungen Anwendung der Reibkompensation und der Parameteridentifikation zur Verschleißzustandserkennung Kritische Bewertung der erzielten Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Anhang Übertragungsfunktionen kaskadierter Regelkreise (Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsregelkreis) Allgemeine Gleichungen...145

11 IV Inhaltsverzeichnis Stromregelkreis mit PI-Regler und Motor Geschwindigkeitsregelkreis mit PI-Regler (ohne induzierte Spannung, nur Führungsverhalten) Positionsregelkreis als Proportionalverstärkung der Regelabweichung Herleitung des Störfrequenzgangs des Lageregelkreises unter Verwendung des Stör- und Führungsverhaltens des Drehzahlregelkreises Verwendetes Curve-Fitting unter Anwendung des Vector-Fitting Testbauteile und Messreihen Algorithmus nach TEAGER: Herleitung und Rechenvorschriften Variation der Schnittparameter und Ergebnisse der Parameteridentifikation tabellarische Aufzählung Literaturverzeichnis...165

12 Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis V Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis Formelzeichen Großbuchstaben A m 2 Fläche A * 1 Dynamik- oder Systemmatrix (Zustandsraummodell) A(z -1 ) * 1 Nennerpolynom der Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems Â(z -1 ) * 1 geschätztes Nennerpolynom der Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems A c m 2 Spannungsquerschnitt A MS2TCP - Amplitude der Übertragungsfunktion zwischen Messsystem und des Tool Center Points (TCP) A TCP2Mot μm / Nm Amplitude der Übertragungsfunktion zwischen TCP und Motor B * 1 Eingangsmatrix (Zustandsraummodell) B(z -1 ) * 1 Zählerpolynom der Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems 1 Bˆ ( z ) * 1 geschätzes Zählerpolynom der Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems B c mm Bogenlänge C * 1 Ausgangsmatrix (Zustandsraummodell) D * 1 Durchgangsmatrix (Zustandsraummodell) E c J Schnittenergie F(j) * 1 Fouriertransformierte der Funktion f(t) F(s) * 1 Laplacetransformierte der Funktion f(t) F axkgt N Kollisionskraft am Kugelgewindetrieb (KGT) F c N Schnittkraft F c,i (t) N Schnittkraft auf die Werkzeugschneide Nr. i F cn N Schnittnormalkraft F cn, i (t) N Schnittnormalkraft auf die Werkzeugschneide Nr. i F f N Vorschubkraft eines Werkzeugs F fn N Normale auf die Vorschubkraft eines Werkzeugs F G N Gewichtskraft einer Vorschubachse F Koll N Kollisionskraft am Werkzeug 1 verschiedene physikalische Einheiten möglich

13 VI Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis F p N Passivkraft F p, i (t) N Passivkraft auf die Werkzeugschneide Nr. i F R, max, Biege N maximale Biegekraft F spann N Einzugskraft einer Werkzeugschnittstelle F k, A N gemessene Vorschubkraft des Antriebs der Achse k (k = x, y, z) F k, TCP N Transformierte der Vorschubkraft des Antriebs der Achse k auf den TCP (k = x, y, z) F k, TCP, mod N modellierte Vorschubkraft des Antriebs der Achse k am TCP (k = x, y, z) F z N Kraft in axiale Richtung des Werkzeugs G(s) * 1 Laplacetransformierte der Strecke G Führ, DRK G iq, PI mm / Nm V / A Führungsverhalten des Drehzahlregelkreises Übertragungsfunktion des PI-Stromregelkreises G isoll2iist - Führungsfrequenzgang des Stromreglers G m * 1 Übertragungsfunktion eines Modells G Motor A / V Übertragungsfunktion des Motors G MS2TCP - Übertragungsverhalten zwischen dem Positionsmesssystem und dem TCP G p * 1 Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems G psoll2pist - Führungsfrequenzgang des Positionsreglers G Stör, DRK mm / (min Nm) Störverhalten des Drehzahlregelkreises G Stör, LRK mm / Nm Störstrecke des Lageregelkreises G Strecke, Pos - Strecke des Regelkreises bezüglich der Positionsregelung G TCP2Mot m / Nm Übertragungsverhalten zwischen TCP und der Antriebswelle G vel, PI A / (mm/min) Übertragungsfunktion des Geschwindigkeitsregelkreises G vsoll2vist - Führungsfrequenzgang des Geschwindigkeitsreglers G ki m / N Nachgiebigkeitsfrequenzgang in Richtung k bei Belastung in Richtung i (k = x, y, z; i = x, y, z) H - Beobachtermatrix (Zustandsraummodell) H TCP m / N dynamische Nachgiebigkeitskennlinie I A Leerlaufstrom bei Geschwindigkeit mm / min I,v A Leerlaufstrom bei Geschwindigkeit mm / min eines Positionselements I d A feldbildender Strom

14 Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis VII I Gleit A Stromanteil der Gleitreibung I Misch A Stromanteil der Mischreibung I q A momentbildender Strom I q,ist A Iststrom I q,soll A Sollstrom I q,r A Reibanteil des Stroms I q,k (k) A modellierter, positionsabhängiger Leerlaufstrom der Achse k (k = x, y, z) I q,p,dyn A dynamischer Anteil des Stroms I q,p,stat A statischer Anteil des Stroms I q,v A Leerlaufstrom bei Geschwindigkeit ungleich mm / min eines Positionselements I q, (v) A modellierter, geschwindigkeitsabhängiger Leerlaufstrom I q,,k (v,k) A modellierter, geschwindigkeits- und positionsabhängiger Leerlaufstrom der Achse k (k = x, y, z) J kg m 2 mechanisches Trägheitsmoment K 1 V / (m ) Ersatzkonstante des vereinfachten Regelkreises während der Beschleunigung KB mm Kolkbreite K EMK Vs / rad Geschwindigkeitskonstante K G - Übersetzung des Getriebes K iq V / A Proportionalitätskonstante des PI-Stromregelkreises K L V / A Proportionalverstärkung des Lageregelkreises K M Nm / A Motorkonstante KM mm Kolkmittenabstand K Mot 1 / Konstante der Übertragungsfunktion des Motors K MS - Verstärkungsfaktor des Messsystems K T mm Kolktiefe K tc N 2 / mm Konstante der Volumenenergie K te N / mm Konstante der Flächenenergie K V 1 / s m / min mm Geschwindigkeitsverstärkung (Lageregler) K v2 (s V) / rad rad / hs Drehzahlkonstante und Tansformation von linearer auf rotatorische Bewegung K vel As / m Proportionalitätskonstante des PI-Geschwindigkeitsregelkreises L A H Induktivität des Motors L WZ mm Werkzeuglänge

15 VIII Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis M - Anzahl von Elementen M c, Nm gleitender Mittelwert des Schnittmoments M c,eo Nm modelliertes Schnittmoment M c,fn Nm Amplitude des modellierten Schnittmoments bei einer Frequenz f n M c,fnz Nm Amplitude des modellierten Schnittmoments bei einer z-fachen Frequenz von f n M c,r Nm Reibanteil des Drehmoments M c,p,dyn Nm dynamischer Anteil des Drehmoments M c,p,stat Nm statischer Anteil des Drehmoments M L Nm Lastmoment M M Nm Motormoment M max,biege Nm maximales Biegemoment N - Anzahl der berücksichtigten Messwerte N MS2TCP * 1 Polstellen der Übertragungsfunktion zwischen Messsystem und TCP N Stör,Pos * 1 Polstellen des Störfrequenzgangs des Positionsregelkreises N TCP2Mot * 1 Polstellen der Übertragungsfunktion zwischen TCP und Motor P c W Schnittleistung Q w m 3 Zerspanvolumen R(s) * 1 Laplacetransformierte des Reglers R A Ankerwiderstand des Motors R a2m - Verhältnis der Amplitude zum Mittelwert R xx () * 1 Autokorrelationsfunktion von x(t) R xy () * 1 Kreuzkorrelationsfunktion von x(t) und y(t) S(s) * 1 Laplacetransformierte des Störeinflusses s(t) SV mm Schneidenversatz in Richtung Freifläche SV mm Schneidenversatz in Richtung Spanfläche T(r,x,y) Transformation vom Zylinderkoordinatensystem auf das Kartesische Koordinatensystem T Iq s Zeitkonstante des PI-Stromregelkreises T Mot s Zeitkonstante des Motors T s s Abtastzeit T vel s Zeitkonstante des PI-Geschwindigkeitsregelkreises T z s Eingriffszeit einer Schneide U A V Ankerspannung

16 Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis IX U ind V induzierte Spannung VB mm Verschleißmarkenbreite V w cm 3 zerspantes Volumen X(e j ) * 1 diskrete Fouriertransformierte von x(n) Z MS2TCP * 1 Nullstellen der Übertragungsfunktion zwischen Messsystem und TCP Z Stör, Pos * 1 Nullstellen des Störfrequenzgangs des Positionsregelkreises Z TCP2Mot * 1 Nullstellen der Übertragungsfunktion zwischen TCP und Motor Kleinbuchstaben a e % Überdeckungsgrad (Eingriffsweite bezogen auf den Werkzeugdurchmesser) a max m 2 / s maximale Beschleunigung a p mm Schnitttiefe b mm Spanbreite b b 2 A / mm Koeffizienten des Beschleunigungsfilters b 3 - Koeffizient des Beschleunigungsfilters d(s) * 1 Laplacetransformierte der Störung d WZ mm Werkzeugdurchmesser e * 1 Fehlervektor zwischen Prozess und Modell e c J 3 / cm spezifische Schnittenergie e i, theo mm Variante i des berechneten Schleppfehlers (i = 1, 2)) e x mm Schleppfehler in x-richtung f g 1 / s Grenzfrequenz f n 1 / s Frequenz der Umdrehung des Werkzeugs f zn 1 / s z-fache Frequenz von f n (z: Anzahl der Schneiden) f s 1 / s Abtastfrequenz f z mm Vorschub pro Schneide f z mm empfohlener Vorschub pro Schneide des Herstellers g m 2 / s Erdbeschleunigung h mm Spanhöhe h s mm Spindelsteigung i - Laufindex j - imaginäre Einheit k - Laufindex

17 X Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis N / mm 2 k c1,1 Hauptwert der spezifischen Schnittkraft k cn1,1 N 2 / mm Hauptwert der spezifischen Schnittnormalkraft k p1,1 N 2 / mm Hauptwert der spezifischen Passivkraft k k N / m statische Steifigkeit der Maschinenachsen in Richtung k (k = x, y, z) m kg Masse 1-m c - Anstiegswert der spezifischen Schnittkraft 1-m cn - Anstiegswert der spezifischen Schnittnormalkraft 1-m p - Anstiegswert der Passivkraft n * 1 Rauschen n c 1 / min Drehzahl der Hauptspindel n ist 1 / min Istdrehzahl des Hauptspindelantriebs n soll 1 / min Solldrehzahl des Hauptspindelantriebs r * 1 Residuum r WZ mm Radius des Werkzeugs s Laplaceoperator t s Laufparameter für die Zeit t Stopp s Zeit bis zum Stillstand nach einer erkannten Kollision u * 1 Eingangssignal v c m / min Schnittgeschwindigkeit v c m / min empfohlene Schnittgeschwindigkeit des Herstellers v f mm / min Vorschubgeschwindigkeit v f, max mm / min maximale Vorschubgeschwindigkeit v f,min mm / min minimale Vorschubgeschwindigkeit v f mm / min empfohlene Vorschubgeschwindigkeit des Herstellers w(s) * 1 Laplacetransformierte Sollvorgabe w B mm Verlagerung des Biegebalkens x * 1 Mittelwert x * 1 Zustandsvektor (Zustandsraummodell) xˆ * 1 geschätzter Zustandsvektor (Zustandsraummodell) x i * 1 einzelner Messwert innerhalb der Messwerte und N-1 x ist mm Istposition xˆ * 1 erste Ableitung des Zustandsvektors x x soll mm Sollposition x Stopp,FAS mm Bremsweg nach Kollisionserkennung mit Fast-Axis-Stop y - Ausgangsvektor des Prozesses (Zustandsraummodell)

18 Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis XI y * 1 Ausgangssignal y(s) * 1 Laplacetransformierte des Ausgangssignals ŷ * 1 geschätzter Ausgangsvektor (Zustandsraummodell) y m * 1 modelliertes Ausgangssignal y n * 1 rauschfreies Ausgangssignal des Prozesses oder Systems z - Anzahl der Schneiden z B mm Position des Biegebalkens Griechische Buchstaben min / mm Koeffizient der kritischen Stribeck Geschwindigkeit F k, TCP N Differenz der modellierten Kraft (F k, TCP, mod ) und der berechneten Kraft (F k, TCP ) am TCP der Achse k (k = x, y, z) max A größte betragsmäßige Differenz zwischen modellierten und gemessenen Strom t s Zeitwert zwischen zwei Messpunkten Δ xˆ * 1 Ausgangsvektor der Beobachtermatrix (Zustandsraummodell) i rad Abstandswinkel der i-ten Werkzeugschneide zur ersten Werkzeugschneide Anstellwinkel - Vergessensfaktor - Reibkoeffizient der Festreibung Gleit - Reibkoeffizient der Gleitreibung Misch - Reibkoeffizient der Mischreibung - Konstante mit dem Wert 3,14159 * 1 Standardabweichung k * 1 Standardabweichung zum Zeitpunkt k L - auf maximale Lebensdauer normierte Betriebszeit rad Startwinkel c rad Schnittwinkel MS2TCP rad Phasengang der Übertragungsfunktion zwischen Messsystem und TCP TCP2Mot rad Phasengang der Übertragungsfunktion zwischen TCP und Motor [x(k)] * 1 Energie eines Signals x(k) rad / s Kreisfrequenz

19 XII Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis rad Kreisfrequenz für diskrete Systeme (2 f/fs) c ist rad / s rad / s Kreisfrequenz des Werkzeugs Istkreisfrequenz ˆθ * 1 Koeffizienten des geschätzen Nennerpolynoms der a Übertragungsfunktion eines Prozessen oder Systems ˆθ * 1 Koeffizienzen des geschätzen Zählerpolynoms der b Übertragungsfunktion eines Prozesses oder Systems s Laufparameter zur Berechnung der AKF und KKF Abkürzungen AE-Sensor - Acoustic-Emission-Sensoren AKF - Autokorrelationsfunktion ARMA - Auto Regressive-Moving Average CAD - Computer Aidded Design CAM - Computer Aidded Manufacturing CNC - Computer Numeric Control DMS - Dehnmessstreifen DrvData - Antriebsdaten DSP - Digital Signal Processing FAS - Fast Axis Stopp FDA - Feed Drive Axis FEM - Finite Element Methode FFG - Führungsübertragungsfunktion FL - Festlager FPGA - Field programmable gate arrays GRK - Geschwindigkeitsregelkreis GUD - Global User Data HMI - Human Machine Interface HSA - Hauptspindelantrieb HSK - Hohlschaftkegel JOP - Japanese Open Promotion Group KGT - Kugelgewindetrieb KKF - Kreuzkorrelationsfunktion KNN - (Künstliches) Neuronales Netz LDS - Leistungsdichtespektrum LL - Loslager LRK - Lageregelkreis

20 Formelzeichen und Abkürzungsverzeichnis XIII NC - Numeric Control NCU - Numeric Control Unit OLE - Object Linking and Embedding OMAC - Open Modular Architecture Controllers OPC - OLE for Process Control ORTOS - Open Real Time Operating System OSACA - Open System Architecture for Control within Automation Systems PCA - Principle Component Anaylsis PI-Regler - Regler mit Proportional- und Integralanteil PLC - Programable Logical Control RCD - rotierende Schnittkraftdynamometer SFG - Störfrequenzgang SK - Steilkegel SRK - Stromregelkreis STFT - Short Time Fourier Transformation TCP - Tool Center Point VSA - Vorschubachse WSP - Wendescheidplatten WZM - Werkzeugmaschine XML - Extensible Markup Language

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22 Einleitung 1 1 Einleitung Die Überwachung und Diagnose von Prozessen in der Produktion hat in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um Prozesse und Abläufe effizienter zu gestalten, werden diese auf unterschiedlichste Weise überprüft und überwacht. Prozessüberwachung, Prozessregelung und Maschinenzustandsüberwachung werden deshalb in der Produktionstechnik eine besondere Rolle zugestanden [WECK5]. In diesen drei Bereichen wird auf unterschiedliche Weise die Qualität der Prozesse und der entstehenden Produkte gesichert. Gerade im Bereich der Prozessund der Kollisionsüberwachung besteht ein besonderes Interesse an sicheren und günstigen Lösungen. Ähnlich wie in der Zustandsüberwachung [SCHU5] gilt auch hier, dass die Lebenszykluskosten ein ausschlaggebender Faktor für die Integration solcher Systeme darstellt. Die Vermeidung von Stillstandszeiten werden laut der Studie Intelligent Maintenance [SCHU5] von über 85 % der Befragten als besonders relevant betrachtet. Die Folgekosten sind demnach weniger bei den anfallenden Reparaturen zu suchen, sondern entstehen durch Produktionsausfälle und damit verbundene verspätete und meist kostenintensive Lieferung an den Kunden [SCHU5; BREC9a]. Eine Umfrage bei insgesamt 23 Anwendern und Maschinenherstellern, die im Rahmen des Forschungsprojektes KoBaSiS [BREC9a] durchgeführt wurde, ergab, dass die häufigsten Fehlerursachen beim Bediener selbst liegen. Bild 1-1 zeigt die Ergebnisse der Umfrage im Detail. Insbesondere die falsche Definition von Nullpunktverschiebungen und das Werkzeugwechseln, aber auch Fehler in der Definition von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub führen immer wieder zu schweren Kollisionen. Vor einer weiteren Herausforderung steht der Bediener immer dann, wenn ein Werkzeug sein Standzeitende erreicht. Die Entscheidung darüber, ob ein Werkzeug verschlissen ist oder weiter im Einsatz bleiben kann, obliegt dem Erfahrungsstand des Bedieners. Ein zu spät gewechseltes Werkzeug kann zu Qualitätsverlusten und im äußersten Fall zu einem Werkzeugbruch führen. Wird es zu früh gewechselt, kumulieren sich die Kosten für die Fertigungsmittel und für die Produktion entsprechend. Häufigkeit in % Bedienerfehler niedriger Vorschub mittlerer Vorschub hoher Vorschub Häufigkeit in % Programmierfehler Freifahren Ankratzen Ankratzen Aufspannung Aufspannung Maßangaben Maßangaben Werkzeug Werkzeug Bahnerzeugung Bahnerzeugung Bahnerzeugung Schnittgeschwindigkeit Vorschub Werkzeugwechselpunkt Nullpunktverschiebunverschiebung Nullpunkt- Werkzeug Bild 1-1: Ergebnisse der Umfrage Ursachen für Kollisionen [BREC9a] Results of a survey about reasons for collisions [BREC9a]

23 2 Einleitung Vorhandene Systeme gerade in der Überwachung des Werkzeugzustandes bieten spezielle Lösungen für ein einzelnes Werkzeug oder eine Gruppe von Werkzeugtypen und müssen aufwendig konfiguriert werden. Dies kann wiederum zum Abschalten des Systems führen [KAEV5a]. Die Folge ist eine Häufung von Ausfällen. Mit dem Ziel, die Kosten für Überwachungs- und Diagnosesystem zu reduzieren, wurden die Verwendung steuerungsintegrierter Lösungen untersucht [KAEV5a; PLAP3] und Softwarearchitekturen geschaffen, die eine Wiederverwendung und Einbettung von benutzerspezifischen Anwendungen ermöglichen sollen [PRIT3b; WECK1a; ORTM1; KAHM5]. Zur Vermeidung von Prozessstörungen können die Informationen über den geplanten Prozess in die Überwachung und Diagnose mit einbezogen werden. Die Informationen hierfür liegen in der Steuerungsstruktur bereit und müssen sinnvoll eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit greift den Ansatz der steuerungsintegrierten Überwachung auf [KAEV5a; PLAP3]. Es werden Methoden entwickelt, die vorhandene Informationen der Steuerung nutzen, um einerseits eine eigenständige Parametrierung von Kollisionsschutzsystemen zu gewähren, anderseits eine normierte Darstellung des Werkzeugzustands für Messerkopffräser mit Wendeschneidplatten wiederzugeben.

24 Introduction 3 Introduction Monitoring and diagnostics of production processes have become more important during the last years. In order to configure processes and activities efficiently, they can be monitored in different ways. For this purpose process monitoring, process control and condition monitoring play a major role in the production engineering systems [WECK5]. These three domains assure the quality of the process and of the products in different ways. One is especially focused in robust and low cost solutions concerning the area of process monitoring and collision monitoring. Similarly to the condition monitoring [SCHU5] the life cycle costs are a crucial factor for the integration of such systems into production machines. The avoidance of non-operation periods were indicated as highly relevant by 85 % of the interviewee of the survey Intelligent Maintenance [SCHU5]. Consequential costs are mainly caused by production downtimes and delayed or cost-intensive delivery than by maintenance actions [SCHU5; BREC9a]. Another survey results that failures are mainly caused by the users themselves. The survey was carried out with 23 end users and machine tool manufactures during the research project KoBaSiS, [BREC9a]. Figure 1-1 illustrates the result of the survey. Especially, the inaccurate definition of zero shifts and tool changes lead to hard collisions. Other mayor reasons for collisions failures in the definition of cutting speed and feed drive speed. The detection of the correct tool life describes a further challenge for the user. The decision of changing the tool crucially dependents on the user s experience. A late tool change leads to a loss of quality or even to tool breakage. Mounting a new tool at an early stage leads to higher costs during the production time. Existing systems offer single solutions for tools or tool types, especially concerning the monitoring of tool wear state. Often, these systems have to be configured with a high effort in time, what leads to a turning-off of the monitoring system [KAEV5a]. Then, the number of failures might increase in the following procedures. With the objective of saving money control integrated solutions have been under investigation [KAEV5a; PLAP3] and software architectures that allow the reusability and embedding of user specific applications have been created [PRIT3b, WECK1a; occurrence in % User errors low feed rate medium feed rate high feed rate occurrence in % Programming errors relieving scratching clamping dimension tool zero zero shift shift tool tool change tool tool path path generation generation cutting speed feed rate Figure 1-1: Results of a survey about reasons for collisions [BREC9a]